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2015-07-20
2015-07-03
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摘 要：介紹了一種數字式無線內窺鏡的系統方案及其膠囊內關鍵數模混合專用芯片的結構與功能，提出并實現了用于該數模混合專用芯片的FPGA驗證系統及驗證流程。為了進行芯片系統級低功耗設計，驗證系統完成了體內硬件部分的能量測試。
關鍵詞：無線內窺鏡；數模混合專用芯片；FPGA驗證系統；能量測試
中圖分類號：TN407文獻標識碼：A文章編號：1003-353X(2005)09-0046-04
1 引言
醫用內窺鏡是用來檢查消化道疾病的一種醫療器械。傳統醫用內窺鏡使用光纖或電纜插入人體體腔內拍攝病征圖像以供醫生診斷。這樣給病人帶來很大的不適，對消化道的診斷存在著盲區，并有可能產生消化道傷損等并發癥。無線內窺鏡的出現[1]則克服了以上的缺點，給消化道疾病的診斷帶來了便利。病人在吞服了膠囊狀的無線內窺鏡后，內窺鏡采集體內消化道的圖像，并把圖像數據以無線的方式發送至體外，醫生從圖像中排查病征。
本文的數字式無線雙向內窺鏡系統[2,3]主要由體內內窺鏡膠囊和體外無線數據收發器兩大部分組成，如圖1所示。體外的無線數據收發器通過USB口與PC相連，操作人員通過PC發出控制命令，控制命令以無線的方式傳至體內，體內內窺鏡膠囊接收到控制命令后開始采集圖像或其他相應的操作。采集到的圖像數據由體內數模混合集成電路處理后發送至體外的PC保存并顯示。
2 數模混合專用芯片的結構及功能
在無線內窺鏡系統中，體內內窺鏡膠囊部分由數模混合專用芯片、圖像傳感器、LED、電池和微小天線組成。數模混合專用芯片的電路結構[4]如圖2虛框內所示。其中數字基帶部分完成圖像采集處理功能和無線通信的控制功能；模擬部分完成射頻收發的功能。
在系統工作時，專用芯片控制CMOS圖像傳感器與LED閃光燈采集圖像，并將采集到的圖像數據緩存在SRAM中；然后由無損圖像壓縮模塊進行圖像壓縮，壓縮后的數據經并串轉換后進入信道編碼模塊進行分組編碼后生成碼流；最后由無線收發器以ASK的調制方式將數據發送至體外。
體內的圖像數據發送完畢后，無線收發器將接收體外的控制命令數據。控制命令數據經信道解碼和串并轉換合成控制命令傳給控制單元。控制單元再根據所接收到的控制命令對系統進行相應的操作。
當系統接收到體外的休眠命令或是在一定時間內無法接收到體外的控制命令時，能量管理模塊將發出控制信號，通過控制單元使系統處于休眠狀態，關閉不需要工作模塊的時鐘信號以節省功耗。
低功耗的數模混合專用芯片的設計是整個系統的關鍵。芯片數字部分的各項功能驗證需要軟硬件協同配合，同時也要考慮在無線通訊的一些隨機參數對系統的影響。在芯片系統級低功耗設計時，還需要芯片的工作參數（如工作電流）作為設計參考。基于以上的考慮，建立一個與最終實用系統相類似的測試驗證環境是最理想和最可靠的方法，因此我們為專用芯片設計了由軟硬件組成的完整的FPGA驗證平臺。該平臺不僅可以完成芯片設計不同階段的驗證工作，也可以完成系統級低功耗設計所需的能量測試，而且只要經過簡單修改就可完成芯片的測試工作。
3 驗證系統結構
無線內窺鏡測試系統，由軟件部分、體外硬件部分和體內硬件部分組成，見圖3。其中軟件部分是用VC編寫的PC上的應用程序。它可以完成發送控制命令和接收顯示圖像的兩部分功能。發送的控制命令可以完成對測試系統硬件部分的控制，同時可以從USB口接收圖像數據并進行解壓縮及插值處理，然后轉換為bmp格式的圖像顯示并保存。
硬件系統由體外和體內兩部分組成，見圖4。體外的硬件系統由四個部分組成：Xilinx公司的xc2v1000FPGA，89C51MCU，Cypress公司的SL811HSUSB1.1控制器和XEMICS公司的XE1201射頻收發器（或專用射頻收發器）。其中FPGA負責射頻收發器的數據傳輸控制和信道編解碼，MCU負責控制USB控制器與PC的通信。
體內膠囊的硬件驗證系統使用了Omvision公司的CMOS圖像傳感器OV7648，Xilinx公司的xc2v1000FPGA，XEMICS公司的XE1201射頻收發器（或專用射頻收發器）。
4 芯片驗證流程
驗證系統考慮了在不同設計階段的驗證要求，允許系統以不同的配置工作，以覆蓋對設計流程中數字和模擬部分所有功能的驗證。根據無線內窺鏡系統的設計流程可將其驗證工作分為兩步。
4.1 數字基帶的驗證
數字基帶主要有兩大功能，圖像處理功能和無線通訊控制功能。驗證系統以兩種不同的配置來實現對兩種功能的驗證。 圖像處理功能包括了硬件和軟件的圖像處理。在驗證時，測試系統拋開了射頻收發器，用硬連線直接連接體內體外兩塊FPGA進行基帶通信調試，如圖3中①所示。這樣避免了未驗證的無線通信功能中的不確定因素可能對圖像數據造成的影響。
在驗證無線通訊控制功能時，系統使用了商用的射頻收發器XE1201，如圖3中②所示。由于XE1201與我們設計的專用射頻收發器具有類似的控制接口，因此適用于XE1201的無線收發器也可以適用于專用的射頻收發器。
4.2 射頻收發器的無線通信測試
專用芯片所將要集成的射頻收發機在2.4G的頻帶上使用ASK的調制方式，傳輸數據率可達1Mbps。在驗證時，專用射頻收發器尚未流片，故使用商用的射頻收發器進行測試。由于所選的商用射頻收發器的控制接口與專用射頻收發器相類似，故驗證的結果可以適用于專用射頻收發器。
在通過商用射頻收發器通信的測試以后，FPGA內各數字模塊的功能得到了完整的驗證，確保了數字基帶的正確性。這樣，在確保數字基帶功能正確的前提下測試專用射頻收發器，可以保證測試結果的準確性。
5 基于驗證系統的能量測試
數模混合專用芯片最終將以電池供電的方式進行工作，因此芯片的功耗直接決定了系統的壽命。為了降低芯片的功耗，芯片在系統級設計上完成了基于電池特性優化的模塊間協調工作方式。在電池動力系統中，平穩的低放電電流有助于增加電池的可用時間，而間隔性的高放電電流會使電池容量下降[5]。因此，如果我們能協調各模塊的工作方式，避免多個模塊同時工作，就有可能避免短時的高放電電流，使整個系統的工作電流趨于平穩，從而提高電池的壽命，延長系統的工作時間。
為了測量芯片各狀態的瞬時工作電流，我們設計了如圖5的測量方案。方案在體內硬件系統的電源和地之間插入3.3Ω的取樣電阻，取樣電阻將系統的工作電流轉換為電壓值送入Agilent54622D示波器。一旦系統輸出有效的觸發信號，示波器便開始采集電壓波形，并通過串口將電壓值送入PC進行記錄和顯示。在芯片流片之前，測量方案完成了基于FPGA的能量測量。雖然對FPGA的測量無法反映實際芯片的工作電流的量級，但卻可以等比例地反映系統工作電流的情況，這對于系統級低功耗設計具有重要的指導意義。
圖6中顯示了系統對無線收發器和圖像傳感器進行能量優化后的部分電壓波形。可以看到，通過調整各模塊的工作時間，優化后的電壓波形變化的幅度相對于優化前趨于平坦。對無線收發器的優化使得相關的電壓跳變減小了約73％，對圖像傳感器的優化使相關的電壓跳變基本消失。
但是由于系統功能時序的要求，各模塊的工作時間并不能任意地變化，只能在一定的范圍內調整。因此，這種方法只能在一定限度內使工作電流平穩，一些短時的電流尖峰仍不可避免，如圖中閃光燈曝光時產生的電流尖峰。
6 結語
本文介紹了一種數字式無線內窺鏡的系統方案，設計并實現了一種軟硬件結合的FPGA驗證系統。基于該驗證系統完成了體內硬件部分的能量測試，為芯片的系統級低功耗設計提供了參數。
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